Semiconductor Rivalry Rages on in High-Temperature Chips
Gallium nitride transistors reach 800 °C
Two semiconductors—silicon carbide and gallium nitride—are the rivals in a (quite literally) heated competition to make circuits capable of performing at the highest temperatures. Silicon carbide chips had taken the lead, operating at 600 °C. But gallium nitride, which possesses unique features that make it more functional at high temperatures, has now surpassed SiC. Researchers at Pennsylvania State University led by Rongming Chu, a professor of electrical engineering, have designed a gallium nitride chip capable of operating at 800 °C —hot enough to melt table salt.
고온 칩 분야에서 반도체 경쟁이 격화되고 있다 질화갈륨 트랜지스터, 800°C에 도달
탄화규소와 질화갈륨 이라는 두 반도체는 최고 온도에서 작동하는 회로를 만들기 위한 (말 그대로) 치열한 경쟁에서 경쟁하고 있습니다. 탄화규소 칩은 600°C에서 작동하며 선두를 달리고 있었습니다. 하지만 고온에서 더욱 뛰어난 성능을 발휘하는 독특한 특성을 지닌 질화갈륨이 이제 SiC를 능가했습니다. 펜실베이니아 주립대학교 전기공학과 롱밍 추 교수 가 이끄는 연구진은 식탁용 소금을 녹일 수 있는 800°C에서 작동 할 수 있는 질화갈륨 칩을 설계했습니다 .
이 개발은 미래의 우주 탐사선, 제트 엔진 , 제약 공정 등 극한 환경에서 사용할 수 있는 회로가 필요한 다양한 분야에 매우 중요할 수 있습니다. 아칸소 대학교 전기공학 및 컴퓨터공학과 앨런 맨투스 교수는 탄화규소 고온 칩 덕분에 과학자들이 이전에는 불가능했던 곳에 센서를 설치할 수 있게 되었다고 말합니다. 그는 질화갈륨 연구에 참여하지 않았습니다. 그는 질화갈륨 칩이 천연 가스 터빈, 화학 공장 및 정유 공장의 에너지 집약적인 제조 공정, 그리고 아직 아무도 생각해 내지 못했던 시스템 의 상태를 모니터링하는 데에도 동일한 역할을 할 수 있다고 설명합니다 .
그는 "우리는 실리콘으로는 상상도 할 수 없는 곳에 이런 종류의 전자 장치를 설치할 수 있습니다."라고 말했습니다.
탄화규소와 질화갈륨 모두 이처럼 극한 조건에서 작동할 수 있는 잠재력은 넓은 밴드갭에서 비롯됩니다. 밴드갭은 전자가 분자에 결합된 원자가띠와 전자가 자유롭게 전기 흐름에 기여할 수 있는 전도띠 사이의 에너지 갭입니다. 고온에서는 밴드갭이 좁은 물질의 전자가 항상 전도띠에 도달할 만큼 여기됩니다. 이는 트랜지스터 에 문제를 야기하는데 , 트랜지스터가 꺼지지 않기 때문입니다. 탄화규소와 질화갈륨의 넓은 밴드갭은 전자를 전도띠로 여기시키는 데 더 많은 에너지를 필요로 하므로, 트랜지스터가 고온 환경에서 의도치 않게 항상 켜지는 현상을 방지합니다.
오실로스코프와 여러 개의 케이블이 놓인 전자 실험실의 테이블. 펜실베이니아 주립대 엔지니어들이 800°C에서 높은 전자 이동 도 트랜지스터를 테스트했습니다. Rongming Chu/펜실베이니아 주립대
2차원 전자 가스 (2DEG)라고 불리는 이 전자층은 고농도이며 저항이 거의 없이 움직입니다. 이는 2DEG에서 전하가 훨씬 빠르게 이동한다는 것을 의미하며, 트랜지스터는 전압 변화에 반응하여 온/오프 상태를 더 빠르게 전환할 수 있습니다. 또한, 전자 이동 속도가 빨라질수록 트랜지스터는 주어진 전압에 따라 더 많은 전류를 전달할 수 있습니다. 2DEG는 탄화규소를 사용하여 제작하기가 더 어려워서 질화갈륨 소자의 성능을 따라잡기가 더 어렵습니다.
추 교수의 대학원생인 이신 슝(Yixin Xiong)은 GaN HEMT를 800°C에서 작동시키려면 구조를 약간 변경해야 했다고 설명합니다 . 이러한 조치에는 트랜지스터가 꺼져 있어야 할 때에도 누설되는 전하인 누설 전류 를 최소화하는 것이 포함되었습니다. 연구진은 탄탈륨 실리사이드 배리어를 사용하여 소자의 구성 요소를 환경으로부터 보호하고, 소자 측면의 금속 외층이 2DEG에 닿지 않도록 방지했습니다. 2DEG에 닿으면 누설 전류가 더욱 증가하고 트랜지스터의 불안정성이 증가할 수 있었습니다.
추는 칩의 연구 및 제작 과정이 예상보다 훨씬 빠르게 진행되었다고 말합니다. 연구팀은 실험이 성공할 것이라고 확신했다고 그는 말합니다. 하지만 "제 예상보다 훨씬 빨랐습니다."라고 그는 덧붙입니다.
Mantooth는 질화갈륨이 제공하는 눈에 띄는 이점에도 불구하고 탄화규소에 비해 장기적인 신뢰성에 대해 우려하고 있습니다. 그는 "500°C 이상의 극한 온도에서 GaN에 대해 사람들이 우려하는 것 중 하나는 미세 균열입니다. 이는 탄화규소에서는 흔히 볼 수 없는 현상입니다. 따라서 GaN에는 신뢰성 문제가 있을 수 있습니다."라고 설명했습니다.
추 씨는 장기 신뢰성이 개선되어야 할 부분이라는 데 동의하며, "몇 가지 기술적 개선이 필요합니다. 하나는 고온에서의 신뢰성을 높이는 것입니다. 현재로서는 800℃에서 한 시간 정도 견딜 수 있을 것으로 생각합니다."라고 말했습니다.
질화갈륨 대 탄화규소
Xiong은 소자 개선을 위해 아직 해야 할 일이 많다고 말합니다. 그는 누설 전류를 최소화하는 것 외에도 탄탈륨 실리사이드 배리어의 한 가지 기능은 소자 내 티타늄이 AlGaN 박막과 반응하여 2DEG를 파괴하는 것을 방지하는 것이라고 설명합니다. Xiong은 궁극적으로 소자에서 티타늄을 완전히 제거하고자 합니다. "궁극적인 목표는 티타늄에 의존하지 않는 것입니다."라고 그는 결론지었습니다.
800℃라는 온도는 극초음속 항공기 와 무기 에도 중요하다고 맨투스는 설명합니다. 극초음속 항공기의 극한 속도는 마찰을 발생시켜 표면을 1,500℃ 이상으로 가열할 수 있습니다. 맨투스는 "많은 사람들이 잘 모르는 사실 중 하나는 마하 2 또는 마하 3으로 비행할 때 공기 마찰로 인해 날개 앞쪽 가장자리에 극한 환경이 조성 된다는 것입니다. 그런데 놀라운 사실이 있습니다. 바로 거기에 레이더가 있고, 다른 처리 장비도 있습니다. 이러한 응용 분야가 바로 미국 국방부가 극한 온도용 전자 장비에 관심을 갖는 이유입니다."라고 말합니다.
향후 계획에 대해 추 씨는 다음 단계는 "장치를 더 빠르게 작동하도록 확장하는 것"이라고 말했습니다. 또한 극한 온도에서 작동할 수 있는 칩 공급업체가 매우 적기 때문에 머지않아 칩이 상용화될 준비가 될 것이라고 생각합니다. "완전히 준비되었다고 생각합니다. 몇 가지 개선이 필요하지만, 고온 전자 장치의 장점은 그 외에는 다른 것이 없다는 것입니다."라고 그는 말했습니다.
하지만 질화갈륨 회로가 탄화규소 계열에 비해 거둔 승리는 오래가지 못할 수도 있습니다. 맨투스 연구실은 고온 칩도 제작하고 있으며, 추 연구실 칩과 같은 수준의 고온을 견딜 수 있는 탄화규소를 개발하고 있습니다. 맨투스는 "탄화규소로 동일한 온도를 공략할 수 있는 회로를 제작할 계획입니다."라고 말했습니다. 누가 최종 우승을 차지할지는 불분명하지만, 적어도 한 가지는 확실합니다. 경쟁이 여전히 치열해지고 있다는 것입니다.
![[멍청대전] 이재명 정청래 찌라시](https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEhvj8NLPYJ1gEisr6Ot9i-Yl14SuFAj6-b7TFzqN-3IklvY01O5sL4dR5Kpqn9rJXoIyVQWvDlZw6iIGuI1sZID_ZeNsyTL72bBrNXaTM6JrNLm5GZjjK5wEgNILRV3mPG02G-KlMaCXHXxHZgC5XFrSOMDw6Qm802sOv9WIy187fs3FSisLSS-6LYgSVQ/w72-h72-p-k-no-nu/ttt.jpg)
댓글 없음:
댓글 쓰기